Uma equipe interdisciplinar de três membros do corpo docente da Virginia Tech afiliados ao Macromolecules Innovation Institute criou um sistema de distribuição de medicamentos que poderia expandir radicalmente as opções de tratamento do câncer.

O método convencional de tratamento do câncer de injeção de drogas nanopartículas na corrente sanguínea resulta em baixa eficácia. Devido às complexidades do corpo humano, muito poucas dessas nanopartículas chegam realmente ao local do câncer, e uma vez lá, há distribuição limitada através do tecido canceroso.

O novo sistema criado na Virginia Tech é conhecido como Nanoscale Bacteria-Enabled Drug Delivery System (NanoBEADS). Os pesquisadores desenvolveram um processo para anexar quimicamente nanopartículas de drogas anticâncer em células de bactérias atenuadas, que mostraram ser mais eficazes do que a aplicação passiva de injeções em locais de câncer.

NanoBEADS produziu resultados em modelos in vitro (em esferóides tumorais) e in vivo (em camundongos vivos), mostrando melhorias de até 100 vezes na distribuição e retenção de nanopartículas em tecidos cancerosos.

Este é um produto do Prêmio CAREER da National Science Foundation de cinco anos de Bahareh Behkam, professor associado de engenharia mecânica. Os colaboradores desta equipe interdisciplinar são Rick Davis, professor de engenharia química, e Coy Allen, professor assistente de ciências biomédicas e patobiologia no Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine.

"Você pode fazer as drogas mais incríveis, mas se você não pode entregá-lo onde precisa ir, não pode ser muito eficaz, "Behkam disse." Ao melhorar a entrega, você pode aumentar a eficácia. "

Este trabalho, que combina experiência em engenharia mecânica, Engenharia Biomédica, engenheiro químico, e medicina veterinária, foi recentemente detalhado em Ciência Avançada .

Usando salmonela para o bem

Os humanos notaram, mesmo desde o Egito Antigo, que o câncer entrava em remissão se o paciente também contraía uma infecção como a salmonela. Nem são ideais, mas os humanos podem tratar infecções por salmonela com mais eficácia do que o câncer.

Nos tempos modernos, Allen disse que a ideia de tratar o câncer com infecções remonta ao final de 1800 e evoluiu para a imunoterapia, em que os médicos tentam ativar o sistema imunológico para atacar as células cancerosas.

Claro, a salmonela é prejudicial aos humanos, mas uma versão enfraquecida poderia, em teoria, fornecer os benefícios da imunoterapia sem os efeitos prejudiciais da infecção por salmonela. O conceito é semelhante ao de humanos recebendo um vírus da gripe enfraquecido em uma vacina para construir imunidade.

Mais de seis anos atrás, Behkam teve a ideia de aumentar a imunoterapia bacteriana para também atacar o câncer com drogas anticâncer convencionais. O problema era que a administração passiva de medicamentos anticâncer não funciona muito bem.

Dada sua experiência em microrobóticos bio-híbridos, ela queria usar a bactéria salmonela como veículos autônomos para transportar o medicamento, na forma de nanopartículas, diretamente para o local do câncer.

O trabalho começou com o primeiro aluno de doutorado de Behkam, Mahama Aziz Traore, construindo a primeira geração de NanoBEADS pela montagem de dezenas de nanopartículas de poliestireno em bactérias E. coli. Depois de estudar exaustivamente a dinâmica e os aspectos de controle dos sistemas NanoBEADS por alguns anos, Behkam trouxe Davis para o projeto porque ele tinha experiência na criação de nanopartículas de polímero para entrega de drogas.

"Ela mencionou esta abordagem radicalmente diferente para a entrega de drogas e nanopartículas, "Davis disse." Afastei-me da conversa pensando, 'Cara, se isso pudesse funcionar, seria fantástico. '"

Behkam escolheu esta cepa bacteriana em particular, Salmonella enterica sorovar Typhimurium VNP20009, porque foi exaustivamente estudado e testado com sucesso em um ensaio clínico de fase um.

"Seu trabalho (da salmonela) como patógeno é penetrar no tecido, "Behkam disse." O que pensamos é se as bactérias são tão boas em se mover através do tecido, que tal acoplar nanomedicina com a bactéria para transportar aquele medicamento muito mais longe do que passivamente se difundiria por conta própria? "

vídeo gráfico que mostra como as nanopartículas são anexadas às células da bactéria Salmonella, que se movem entre as células para atingir os tumores

Descrição do elemento gráfico:Os agentes NanoBEADS são construídos pela conjugação de nanopartículas de poli (ácido lático? Co? Glicólico) com Salmonella typhimurium direcionada ao tumor. NanoBEADS aumentam a retenção e distribuição de nanopartículas em tumores sólidos em até um notável? 100? Vezes, através da auto-replicação e translocação intercelular (entre células). Este aprimoramento de transporte é alcançado de forma autônoma, sem a necessidade de qualquer força motriz aplicada externamente ou entrada de controle.

Tentativa e erro

Embora Behkam tivesse uma visão para o novo sistema de entrega de drogas, levou vários anos para que se tornasse realidade.

"O processo de criação de nanopartículas e, em seguida, anexá-las às bactérias de uma maneira robusta e repetível foi um desafio, mas acrescente isso garantindo que as bactérias permaneçam vivas, descobrir o mecanismo de transporte de bactérias no tecido canceroso, e desenvolver maneiras de descrever quantitativamente a eficácia do NanoBEADS, e este foi um projeto difícil, "Davis disse.

SeungBeum Suh, O ex-Ph.D. de Behkam aluna, e Amy Jo, O ex-Ph.D. de Davis aluna, trabalharam juntos para anexar nanopartículas enquanto mantinham as bactérias vivas. Não foi até a quarta tentativa que eles começaram a ter sucesso.

"Colaboramos para fazer essas partículas, e nós os ligamos às bactérias, "Behkam disse." Então a questão era qual é o mecanismo de sua translocação no tumor? Até onde eles vão para o tumor? Como apresentamos uma medida quantitativa de seu desempenho? "

Behkam, juntamente com Suh e o atual estudante de doutorado Ying Zhan, testaram sua salmonela ligada a nanopartículas em tumores cultivados em laboratório. Eles descobriram melhorias de até 80 vezes na penetração e distribuição das nanopartículas usando a plataforma NanoBEADS, em comparação com nanopartículas de difusão passiva.

Além disso, Suh e Behkam descobriram que os NanoBEADS penetram amplamente no tumor por meio da translocação através do espaço entre as células cancerosas.

Behkam queria fortalecer os resultados do NanoBEADS além do estágio in vitro. Com uma escola veterinária de primeira linha no futuro, ela alistou Allen, seu colega do corpo docente do MII, para testar o sistema NanoBEADS in vivo. Testes em tumores de câncer de mama em camundongos produziram resultados que mostram melhorias significativas em comparação com a entrega passiva.

Os testes mostraram que havia cerca de 1, 000 vezes mais células de salmonela no tumor em comparação com o fígado e 10, 000 vezes mais do que o baço.

"Mais notavelmente, a própria salmonela ajudou a manter as partículas no tumor até 100 vezes melhor, o que sugeriria que seria um veículo de entrega eficaz, "Allen disse.

A próxima etapa da pesquisa é carregar a terapêutica do câncer no sistema NanoBEADS para testar o potencial de aumento da eficácia.

Do banco ao canil e ao lado da cama

A colaboração destaca a diversidade de pesquisas interdisciplinares possíveis por meio da MII e da Virginia Tech.

"A integração sinérgica de diversas experiências foi essencial para as descobertas de alto impacto que resultaram deste trabalho, "Behkam disse.

Com a adição da Escola de Medicina Virginia Tech Carilion e do Instituto de Pesquisa Biomédica Fralin na VTC, Allen disse que a Virginia Tech tem a possibilidade de testar pesquisas científicas "da bancada ao canil e à cabeceira".

"O projeto não poderia avançar sem cada uma das três partes, "Allen disse." O estudo não teria chegado a um jornal de alto impacto sem ter a química, o pano de fundo do patógeno, a ideia, e ter a relevância fisiológica e clínica de testá-lo em um tumor real em um modelo animal real. "

Davis disse que todos os mecanismos de entrega de drogas devem passar por testes em animais, portanto, ter uma faculdade de medicina veterinária "absolutamente fantástica" no campus elevou a pesquisa a um nível superior.

"Uma coisa que me atraiu neste projeto foi a capacidade de trabalhar com pessoas como Bahareh e Coy, que trabalham com células e estudos animais para realmente traduzir o trabalho, Davis disse. "É difícil encontrar essa combinação de pessoas em muitas escolas."